orbitals อะตอมในสิ่งที่พวกเขาประกอบด้วยวิธีที่พวกเขาเป็นสัญลักษณ์และประเภท

orbitals อะตอม คือพื้นที่ของอะตอมที่กำหนดโดยฟังก์ชันคลื่นสำหรับอิเล็กตรอน ฟังก์ชันคลื่นเป็นนิพจน์ทางคณิตศาสตร์ที่ได้จากความละเอียดของสมการชโรดิงเงอร์ สิ่งเหล่านี้อธิบายถึงสถานะพลังงานของอิเล็กตรอนหนึ่งตัวหรือมากกว่าในอวกาศรวมทั้งความน่าจะเป็นในการค้นหา.

แนวคิดทางกายภาพนี้ใช้โดยนักเคมีเพื่อความเข้าใจในการเชื่อมโยงและตารางธาตุพิจารณาว่าอิเล็กตรอนเป็นคลื่นและอนุภาคในเวลาเดียวกัน ดังนั้นภาพของระบบสุริยจักรวาลจะถูกทิ้งซึ่งอิเล็กตรอนเป็นดาวเคราะห์ที่หมุนรอบตัวในวงโคจรรอบนิวเคลียสหรือดวงอาทิตย์.

การสร้างภาพข้อมูลที่ล้าสมัยนี้เป็นประโยชน์เมื่อแสดงระดับพลังงานของอะตอม ตัวอย่างเช่น: วงกลมที่ล้อมรอบด้วยวงแหวนศูนย์กลางซึ่งเป็นตัวแทนของวงโคจรและอิเล็กตรอนคงที่ อันที่จริงนี่เป็นภาพที่มีการนำอะตอมมาใช้กับเด็กและเยาวชน.

อย่างไรก็ตามโครงสร้างอะตอมที่แท้จริงนั้นซับซ้อนเกินกว่าที่จะมีภาพโดยประมาณได้.

เมื่อพิจารณาแล้วอิเล็กตรอนเป็นคลื่นอนุภาคและการแก้สมการเชิงอนุพันธ์ของSchrödingerสำหรับอะตอมไฮโดรเจน (ระบบที่ง่ายที่สุดของทั้งหมด) ได้รับตัวเลขควอนตัมที่มีชื่อเสียง.

ตัวเลขเหล่านี้บ่งบอกว่าอิเล็กตรอนไม่สามารถครอบครองสถานที่ใด ๆ ของอะตอมได้ แต่มีเพียงอิเล็กตรอนที่เชื่อฟังในระดับพลังงานที่สุขุมและเชิงปริมาณ การแสดงออกทางคณิตศาสตร์ของด้านบนเรียกว่าฟังก์ชันคลื่น.

ดังนั้นจากอะตอมไฮโดรเจนชุดของรัฐพลังภายใต้หมายเลขควอนตัมถูกประเมิน สถานะพลังงานเหล่านี้ถูกตั้งชื่อเป็นวงโคจรปรมาณู.

แต่สิ่งเหล่านี้อธิบายเพียงที่อยู่ของอิเล็กตรอนในอะตอมไฮโดรเจน สำหรับอะตอมอื่น ๆ โพลีอิเล็คทรอนิคส์ตั้งแต่ฮีเลียมเป็นต้นไปจะทำการประมาณวงโคจร ทำไม? เนื่องจากความละเอียดของสมการชโรดิงเงอร์สำหรับอะตอมที่มีอิเล็กตรอนสองตัวหรือมากกว่านั้นมีความซับซ้อนมาก (แม้จะใช้เทคโนโลยีปัจจุบัน).

ดัชนี

• 1 วงโคจรของอะตอมคืออะไร?
  • 1.1 ฟังก์ชั่นคลื่นเรเดียล
  • 1.2 ฟังก์ชั่นคลื่นเชิงมุม
  • 1.3 ความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนและพันธะเคมี
• 2 พวกเขาเป็นสัญลักษณ์อย่างไร?
• 3 ประเภท
  • 3.1 Orbitals
  • 3.2 วงโคจรหน้า
  • 3.3 วงโคจร d
  • 3.4 วงโคจร
• 4 อ้างอิง

วงโคจรอะตอมคืออะไร?

อะตอมของวงโคจรเป็นฟังก์ชั่นคลื่นที่ประกอบด้วยสององค์ประกอบ: รัศมีหนึ่งและหนึ่งเชิงมุม นิพจน์ทางคณิตศาสตร์นี้เขียนเป็น:

Ψ_NLML = R_NL(r) · Y_LML(Θφ)

แม้ว่ามันอาจดูซับซ้อนในตอนแรกโปรดทราบว่าจำนวนควอนตัม n, ล. และ มล. พวกเขาจะถูกระบุด้วยตัวอักษรขนาดเล็ก ซึ่งหมายความว่าตัวเลขทั้งสามนี้อธิบายถึงการโคจร R_NL(r) หรือที่รู้จักกันดีในชื่อฟังก์ชันรัศมีขึ้นอยู่กับ n และ ล.; ในขณะที่ Y_LML(θφ) ฟังก์ชั่นเชิงมุมขึ้นอยู่กับ ล. และ มล..

ในสมการทางคณิตศาสตร์ยังมีตัวแปร r, ระยะห่างจากนิวเคลียส, และθและφ ผลลัพธ์ของสมการชุดนี้ทั้งหมดคือการแสดงทางกายภาพของวงโคจร อะไร? ภาพที่เห็นในภาพด้านบน มีชุดของวงโคจรซึ่งจะอธิบายในส่วนต่อไปนี้.

รูปร่างและการออกแบบ (ไม่ใช่สี) มาจากการพล็อตในพื้นที่ฟังก์ชั่นคลื่นและส่วนประกอบรัศมีและมุม.

ฟังก์ชั่นคลื่นเรเดียล

เท่าที่เห็นในสมการ R_NL(r) มันขึ้นอยู่กับ n ณ วันที่ ล.. จากนั้นฟังก์ชั่นคลื่นวิทยุจะอธิบายโดยระดับพลังงานหลักและระดับย่อย.

หากสามารถถ่ายรูปอิเล็กตรอนได้โดยไม่ต้องคำนึงถึงทิศทางของมันก็จะสามารถสังเกตเห็นจุดเล็ก ๆ จากนั้นเมื่อถ่ายภาพเป็นล้าน ๆ ภาพคุณสามารถบอกรายละเอียดว่าเมฆจุดเปลี่ยนไปตามระยะทางจากนิวเคลียสอย่างไร.

ด้วยวิธีนี้ความหนาแน่นของก้อนเมฆสามารถเปรียบเทียบได้ในระยะทางและระยะใกล้ของนิวเคลียส หากมีการใช้งานซ้ำ ๆ แต่มีระดับพลังงานหรือระดับย่อยอีกครั้งระบบจะสร้างคลาวด์อื่นที่ล้อมรอบก่อนหน้านี้ ระหว่างทั้งสองมีช่องว่างเล็ก ๆ ที่อิเล็กตรอนไม่เคยอยู่ นี่คือสิ่งที่เรียกว่า โหนดเรเดียล.

นอกจากนี้ในเมฆยังมีพื้นที่ที่มีความหนาแน่นทางอิเล็กทรอนิกส์สูงขึ้นและต่ำลง เมื่อพวกมันใหญ่ขึ้นและเคลื่อนที่ห่างจากนิวเคลียสออกไปพวกมันจะมีโหนดเรเดียนมากขึ้น และยังเป็นระยะทาง R อิเล็กตรอนไปไหนบ่อยกว่าและมีแนวโน้มที่จะพบมันมากขึ้น.

ฟังก์ชันคลื่นเชิงมุม

อีกครั้งจากสมการเป็นที่รู้จักกันว่า Y_LML(θφ) ส่วนใหญ่อธิบายโดยตัวเลขควอนตัม ล. และ มล.. เวลานี้มันมีส่วนร่วมในจำนวนควอนตัมแม่เหล็กดังนั้นทิศทางของอิเล็กตรอนในอวกาศถูกกำหนด; และที่อยู่นี้สามารถลงจุดได้จากสมการทางคณิตศาสตร์ที่เกี่ยวข้องกับตัวแปรθและφ.

ตอนนี้เราไม่ได้ถ่ายรูป แต่เพื่อบันทึกวิดีโอเส้นทางของอิเล็กตรอนในอะตอม ไม่เหมือนการทดลองก่อนหน้านี้มันไม่ทราบว่าอิเล็กตรอนอยู่ตรงไหน แต่อยู่ที่ไหน.

เมื่อเคลื่อนที่อิเลคตรอนจะอธิบายเมฆที่มีความหมายมากกว่า ในความเป็นจริงเป็นรูปทรงกลมหรือหนึ่งที่มีติ่งเหมือนที่เห็นในภาพ ชนิดของตัวเลขและทิศทางในอวกาศนั้นอธิบายไว้ ล. และ มล..

มีบริเวณใกล้กับนิวเคลียสซึ่งอิเล็กตรอนไม่ผ่านและตัวเลขจะหายไป ภูมิภาคดังกล่าวเป็นที่รู้จักกันในนาม โหนดเชิงมุม.

ตัวอย่างเช่นหากสังเกตการณ์วงโคจรรอบแรกมันจะสรุปได้อย่างรวดเร็วว่ามันเป็นสมมาตรในทุกทิศทาง อย่างไรก็ตามนี่ไม่ใช่กรณีของวงโคจรอื่น ๆ ที่มีรูปร่างแสดงให้เห็นช่องว่าง สิ่งเหล่านี้สามารถสังเกตได้ที่จุดกำเนิดของระนาบคาร์ทีเซียนและในระนาบจินตภาพระหว่างติ่งหู.

ความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนและพันธะเคมี

ในการพิจารณาความน่าจะเป็นที่แท้จริงของการหาอิเล็กตรอนในวงโคจรทั้งสองฟังก์ชันจะต้องได้รับการพิจารณา: รัศมีและเชิงมุม ดังนั้นจึงไม่เพียงพอที่จะสมมติส่วนประกอบเชิงมุมนั่นคือรูปแบบของวงโคจร แต่ยังรวมถึงความหนาแน่นของอิเลคทรอนิกส์ที่เปลี่ยนแปลงไปตามระยะทางของนิวเคลียส.

อย่างไรก็ตามเนื่องจากที่อยู่ (มล.) แยกแยะวงหนึ่งจากวงอื่นมันเป็นเรื่องจริง (แม้ว่าอาจจะไม่ถูกต้องทั้งหมด) เพื่อพิจารณาเฉพาะรูปร่างของมัน ด้วยวิธีนี้คำอธิบายของพันธะเคมีจะอธิบายโดยการทับซ้อนของตัวเลขเหล่านี้.

ตัวอย่างเช่นภาพเปรียบเทียบของสามวงโคจรแสดงไว้ด้านบน: 1 วินาที, 2 วินาทีและ 3 วินาที สังเกตเห็นโหนดเรเดียลภายใน 1s orbital ขาดโหนดในขณะที่อีกสองคนมีหนึ่งและสองโหนด.

เมื่อพิจารณาถึงพันธะทางเคมีมันจะง่ายต่อการจำไว้เฉพาะรูปทรงกลมของวงโคจรเหล่านี้ ด้วยวิธีนี้วงโคจรจะเข้าใกล้อีกจุดหนึ่งและอยู่ในระยะไกล R, อิเล็กตรอนจะสร้างพันธะกับอิเล็กตรอนของอะตอมใกล้เคียง จากที่นี่มีหลายทฤษฎี (TEV และ TOM) ที่อธิบายลิงก์นี้.

พวกเขาเป็นสัญลักษณ์อย่างไร?

วงโคจรปรมาณูอย่างชัดเจนมีสัญลักษณ์เป็น: NL_มล..

ตัวเลขควอนตัมรับค่าทั้งหมด 0, 1, 2, ฯลฯ แต่เพื่อเป็นสัญลักษณ์ของวงโคจรเท่านั้นที่เหลืออยู่ n ค่าตัวเลข ในขณะที่สำหรับ ล., จำนวนทั้งหมดจะถูกแทนที่ด้วยตัวอักษรที่สอดคล้องกัน (s, p, d, f); และสำหรับ มล., สูตรตัวแปรหรือคณิตศาสตร์ (ยกเว้น มล.= 0).

ตัวอย่างเช่นสำหรับวงโคจร 1s: n= 1, s = 0, และ มล.= 0 เช่นเดียวกับ orbitals ทั้งหมด ns (2s, 3s, 4s, ฯลฯ ).

เพื่อเป็นสัญลักษณ์ส่วนที่เหลือของวงโคจรมันเป็นสิ่งจำเป็นที่จะระบุประเภทของพวกเขาแต่ละคนมีระดับพลังงานและลักษณะของตัวเอง.

ชนิด

s orbitals

ตัวเลขควอนตัม ล.= 0 และ มล.= 0 (นอกเหนือจากส่วนประกอบของรัศมีและเชิงมุม) อธิบายถึงการโคจรด้วยรูปร่างทรงกลม นี่คือสิ่งที่นำไปสู่ปิรามิดของวงโคจรของภาพเริ่มต้น นอกจากนี้ตามที่เห็นในภาพของโหนดเรเดียลนั้นสามารถคาดได้ว่าวงโคจร 4s, 5s และ 6s มีโหนดสาม, สี่และห้า.

พวกมันมีลักษณะที่สมมาตรและอิเล็กตรอนจะได้รับประจุนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพมากขึ้น นี่เป็นเพราะอิเล็กตรอนของพวกมันสามารถแทรกซึมชั้นภายในและอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากซึ่งทำให้เกิดแรงดึงดูดเชิงบวกต่อพวกมัน.

ดังนั้นจึงมีความน่าจะเป็นที่อิเล็กตรอน 3s สามารถทะลุผ่านวงโคจร 2s และ 1s ใกล้กับนิวเคลียส ความจริงนี้อธิบายว่าทำไมอะตอมที่มี sp hybrid orbitals เป็น electronegative มากกว่า (มีแนวโน้มที่จะดึงดูดความหนาแน่นทางอิเล็กทรอนิกส์ของอะตอมที่อยู่ใกล้เคียง) มากกว่าที่มี sp hybridization³.

ดังนั้นอิเล็กตรอนของวงโคจรจึงเป็นส่วนที่สัมผัสกับประจุของนิวเคลียสมากที่สุดและมีความเสถียรมากกว่าเดิม เมื่อรวมเข้าด้วยกันพวกมันจะมีผลต่อการป้องกันอิเลคตรอนของระดับย่อยหรือวงโคจรอื่น ๆ นั่นคือพวกเขาลดประจุนิวเคลียร์ที่แท้จริงที่ Z ได้รับโดยอิเล็กตรอนภายนอกส่วนใหญ่.

วงโคจร p

orbitals p มีจำนวนควอนตัม ล.= 1 และมีค่าเป็น มล.= -1, 0, +1 นั่นคืออิเล็กตรอนในวงโคจรเหล่านี้สามารถมีสามทิศทางซึ่งแสดงเป็นดัมเบลล์สีเหลือง (ตามภาพด้านบน).

โปรดทราบว่าดัมเบลแต่ละตัวอยู่ในแนวแกนคาร์ทีเซียน x, และ และ Z. ดังนั้นวงโคจร p ที่อยู่บนแกน x จึงแสดงเป็น p_x; อันที่อยู่บนแกน y, p_และ; และถ้ามันตั้งฉากกับระนาบ xy นั่นคือบนแกน z มันก็คือ p_Z.

orbitals ทั้งหมดตั้งฉากกันซึ่งก็คือมันก่อตัวเป็นมุม 90 angle ยิ่งไปกว่านั้นฟังก์ชั่นเชิงมุมจะหายไปในนิวเคลียส (ต้นกำเนิดของแกนคาร์ทีเซียน) และมีเพียงความน่าจะเป็นในการค้นหาอิเล็กตรอนภายในก้อน (ความหนาแน่นของอิเล็กตรอนขึ้นอยู่กับฟังก์ชันของรัศมี).

ผลการป้องกันไม่ดี

อิเล็กตรอนของวงโคจรเหล่านี้ไม่สามารถแทรกซึมชั้นภายในได้อย่างง่ายดายเหมือนกับวงโคจรของ s เมื่อเปรียบเทียบรูปแบบของพวกมันวงโคจร p ดูเหมือนจะอยู่ใกล้กับนิวเคลียสมากขึ้น แม้กระนั้นอิเล็กตรอน ns พบได้บ่อยที่สุดรอบนิวเคลียส.

ผลที่ตามมาคืออะไร? อิเล็กตรอน NP นั้นมีประจุไฟฟ้านิวเคลียร์ที่ต่ำกว่า และนอกจากนี้หลังจะลดลงอีกโดยผลการตรวจคัดกรองของวงโคจรของ ตัวอย่างเช่นนี้อธิบายได้ว่าทำไมอะตอมที่มีลูกผสมวงโคจร sp³ มันมีอิเลคโตรเนกาติตีน้อยกว่า sp orbitals² หรือ sp.

มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะต้องทราบว่าดัมเบลแต่ละตัวมีระนาบเชิงมุม แต่ไม่มีโหนดเรเดียล (2p orbitals ไม่มีอะไรอื่น) กล่าวคือถ้ามันถูกหั่นบาง ๆ ข้างในนั้นจะไม่มีเลเยอร์เหมือนกับวงโคจร 2s; แต่จากวงโคจร 3p เป็นต้นไปโหนดเรเดียลจะเริ่มสังเกตเห็น.

โหนดเชิงมุมเหล่านี้มีความรับผิดชอบต่อความจริงที่ว่าอิเล็กตรอนชั้นนอกสุดมีประสบการณ์การป้องกันที่ไม่ดี ยกตัวอย่างเช่นอิเล็กตรอน 2s จะป้องกันวงโคจรของ 2p ให้อยู่ในระดับที่สูงกว่าอิเล็กตรอน 2p กับวงโคจรของ 3s.

Px, Py และ Pz

ตั้งแต่ค่าของ มล. คือ -1, 0 และ +1 โดยแต่ละอันแทน Px, Py หรือ Pz orbital โดยรวมพวกเขาสามารถรองรับอิเล็กตรอนได้หกตัว (สองตัวสำหรับแต่ละวงโคจร) ความจริงเรื่องนี้มีความสำคัญต่อการทำความเข้าใจเกี่ยวกับการกำหนดค่าทางอิเล็กทรอนิกส์ตารางธาตุและองค์ประกอบที่ประกอบขึ้นเป็นบล็อก p ที่เรียกว่า.

d orbitals

d orbitals มีค่าเป็น ล.= 2 และ มล.= -2, -1, 0, +1, +2 ดังนั้นจึงมีวงโคจรห้าวงที่สามารถถืออิเล็กตรอนได้ทั้งหมดสิบตัว ฟังก์ชันเชิงมุมทั้งห้าของ d orbitals แสดงอยู่ในภาพด้านบน.

อันแรกคือวงโคจร 3 มิติไม่มีโหนดเรเดียล แต่ส่วนอื่น ๆ ทั้งหมดยกเว้นวงโคจรง_Z2, มีระนาบสองระนาบ ไม่ใช่ระนาบของภาพเพราะสิ่งเหล่านี้แสดงให้เห็นว่าแกนกลีบสีส้มถูกวางไว้ในรูปแบบของใบโคลเวอร์เท่านั้น ระนาบสองก้อนคือระนาบที่ตั้งฉากกับระนาบสีเทา.

รูปแบบของพวกเขาทำให้พวกเขามีประสิทธิภาพน้อยลงในการป้องกันภาระนิวเคลียร์ที่มีประสิทธิภาพ ทำไม? เนื่องจากมีโหนดมากขึ้นโดยที่นิวเคลียสสามารถดึงดูดอิเล็กตรอนภายนอกได้.

ดังนั้นวงโคจรทุกดวงมีส่วนทำให้รัศมีอะตอมเพิ่มขึ้นอย่างเด่นชัดจากระดับพลังงานหนึ่งไปอีกระดับหนึ่ง.

orbitals ฉ

ในที่สุด f orbitals มีจำนวนควอนตัมที่มีค่าเป็น ล.= 3 และ มล.= -3, -2, -1, 0, +1, +2, +3 มีวงโคจรเจ็ด f รวมเป็นสิบสี่อิเล็กตรอน วงโคจรเหล่านี้เริ่มให้บริการตั้งแต่ช่วงเวลา 6 ซึ่งเป็นสัญลักษณ์อย่างผิวเผินเป็น 4f.

ฟังก์ชันเชิงมุมแต่ละอันแสดงถึงติ่งหูที่มีรูปร่างที่สลับซับซ้อนและระนาบที่สำคัญหลายอัน ดังนั้นพวกมันจึงป้องกันอิเล็กตรอนภายนอกให้น้อยลงและปรากฏการณ์นี้จะอธิบายสิ่งที่เรียกว่า lanthanide หดตัว.

ด้วยเหตุนี้อะตอมหนักจึงไม่มีการแปรผันของรัศมีอะตอมระดับหนึ่ง n ไปยังอีก n + 1 (ตัวอย่างเช่น 6n ถึง 7n) จนถึงปัจจุบัน 5f orbitals เป็นสิ่งสุดท้ายที่พบได้ในอะตอมธรรมชาติหรือเทียม.

เมื่อคำนึงถึงสิ่งนี้นรกจะเปิดขึ้นระหว่างสิ่งที่เรียกว่าวงโคจรกับวงโคจร แม้ว่าคำต่อคำจะคล้ายกัน แต่ในความเป็นจริงพวกเขาแตกต่างกันมาก.

แนวคิดของการโคจรของอะตอมและวิธีการทางวงโคจรอนุญาตให้คำอธิบายเกี่ยวกับพันธะทางเคมีและวิธีนี้สามารถส่งผลกระทบต่อโครงสร้างโมเลกุลในทางใดทางหนึ่งหรืออีกวิธีหนึ่ง.

การอ้างอิง

1. ตัวสั่นและแอตกินส์ (2008) เคมีอนินทรีย์ (ฉบับที่สี่, หน้า 13-8) Mc Graw Hill.
2. แฮร์รี่บีเกรย์ (1965) อิเล็กตรอนและพันธะเคมี ดับบลิวเอ Benjamin, Inc. นิวยอร์ก.
3. Quimitube ( N.d. ) orbitals อะตอมและหมายเลขควอนตัม ดึงมาจาก: quimitube.com
4. เรือ C. R. (2016) การแสดงภาพวงโคจรอิเล็กตรอน สืบค้นจาก: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
5. Clark J. (2012) อะตอมของวงโคจร สืบค้นจาก: chemguide.co.uk
6. นิทานควอนตัม (26 สิงหาคม 2554) orbitals อะตอมโรงเรียนมัธยมโกหก กู้คืนจาก: cuentos-cuanticos.com